Seismic isolation: Early history
隔震技术的发展史
Nicos Makris
原载Earthquake Engineering and Structural Dyanmics
First published: 23 September 2018 https://doi.org/10.1002/eqe.3124
郑哲 译
摘要：隔震或“抗震基础隔震”是一种地震保护策略，旨在将结构的运动与地面震动分离，从而减小结构内力。隔震技术作为最有效和最成功的抗震保护技术，现已成为替代传统能力设计的成熟可行的方案，并已在全球众多桥梁，建筑物和其他特殊结构中使用。本文记录了隔震技术的起源和早期发展（直到20世纪90年代初）。
关键词：凹面滑动支座，弹性支座，历史记录，响应修正，抗震设防
1 引言 INTRODUCTION
隔震是通过使用某种类型的支座将建筑物运动与地面震动“解耦”，从而保护结构免受地震破坏性影响的概念。在近几个世纪，该设计概念受到世界上诸多国家的欢迎。通常的经验是：在地面震动时，如果沿着滑动界面的摩擦系数低于地面峰值加速度（PGA）与重力加速度的比值，自立式结构将滑动。
1870年，加利福尼亚州旧金山市的Jules Touaillon获得了一项改进建筑物的建造方法的美国专利。该建造方法可以减少地震冲击对建筑物影响。一些出现在Touaillon 1870年专利中的图纸非常值得注意。这些图纸展示了一个支撑在隔震系统上的建筑物的正视图。该系统由一系列相对的凹面球面组成（图1所示的Touaillon图中的c和c'），相对的凹球面被一些圆球分开。Touaillon解释到：
“......板c的上表面和板c'的下表面都有凹陷，其形状为一段半径远大于分隔圆球的半径的球形..上述物体的重量将导致板c和c'和小球恢复原来的相对位置”。
显然，Touaillon意识到隔震是他设计的凹球面大半径的结果，而结构能回到原始的中心位置是重力作用的结果。因此，早在1870年提出的隔震系统，就包含了现代双凹球面滑动支座隔震系统的大多数概念。
隔震系统c-c'由一系列相对的凹面球面组成，凹球面由圆球分开。（详细构造参见结构图下面的隔震系统的平面图和横截面图）这个拥有150年历史的地震隔震系统提出了现代先进的双凹球面支座支座隔震系统的大部分独特概念。
在Jules Touaillon的开创性专利后近四十年，来自德国的J. Bechtold获得了美国专利。该项专利是将一个抗震建筑物支撑在一块刚性板上，再将刚性板安装在松散的卵石、砾石上或硬质材料球上，以可滑动的方式支座基础板。J.Bechtold解释到：
“在地震作用下，危险是从建筑物的刚性基础中积累起来的，最好的避免震害的办法是将整个建筑物放置在具有合适承载力且不与地面刚性连接的刚性基础板上。“
这一措辞重申了现代隔震技术中的两个关键概念：A，具有足够的承载能力；以及B，足以令人满意地将建筑物运动与地面震动“解耦”。
1908年，意大利Reggio‐Messina地震造成大约16万人丧生之后，一个由执业工程师和大学教授组成的委员会成立了。该委员会提出两项建议，其中一项建议是用一层沙或用滚筒将建筑物与地基分隔开；而另一项建议则支持固定基础。意大利委员会最终决定采用固定基础。尽管如此，关于建筑物在一层沙上滑动的可选建议正式将隔震的概念引入欧洲。1909年，来自英国Scarborough的医生J. A. Calantarients申请了一项有关抗震设计方法的英国专利，该专利建议将建筑物与其基础用一层沙子分开。该专利详细描述了一种能防止建筑物在大风中移动抗风支座。同时，在认识到建筑物与其基础之间存在大量预期位移后，他表明天然气、供水和污水处理设施需要采用特殊连接。
现代隔震技术的首次著名应用，是Frank Lloyd Wright设计日本东京帝国酒店。该酒店于1921年完工。在酒店所在地，有一层8英尺厚的优良土壤，在其下方有60至70英尺厚的抗剪强度极小的软泥层。这层软泥层在Wright看来是一个缓解地震冲击的“良好缓冲垫”。 Wright选择一系列间隔很小的短桩支撑建筑物，这些短桩仅穿透软泥层的顶部。建成后不久，帝国酒店在1923年的特大地震中表现得非常好。
十年时间内，来自新西兰的R. W. de Montalk获得了一项美国专利。该专利提出了一种方法，该方法能吸收或最小化由地震或振动对建筑物产生的冲击。振动是由繁重的交通或地球表面的其他干扰引起的。RW de Montalk解释到：
“这项发明包括一种基础，我称之为severer。该基础设置在建筑物的底部和地基之间，是由能吸收或最小化冲击的材料组成的，从而能保护建筑物“。
因此，对于术语“吸收”，de Montalk引入了能量耗散的概念——这是现代隔震实践中的第三个关键概念。
自20世纪20年代以来，发生了一些偶然的事件。其中一些采用了较低的失效机制来设计的建筑物在地震中反而幸存下来，而邻近的建筑物却倒塌了。例如1933年加利福尼亚州长滩地震期间，几座未加固的砖石建筑物仅受轻微损坏，因为它们能够在地基梁上滑动。
2 日本隔震技术的早期概念
EARLY CONCEPTS OF SEISMIC ISOLATION ADVANCED IN JAPAN
1876年到1895年间，英国地质学家和采矿工程师John Milne被任命为东京帝国大学的采矿和地质学教授。在此期间，Milne提出了一个隔震结构的例子，建筑结构位于球体上方，球体放置在碟形边缘（凹陷）的铸铁铁板上，铸铁铁板位于桩的顶部。在球的上方，附着在建筑物上的铸铁板略微凹陷，与球下面的铁板类似。该建筑物安装了检测设备，经检验其显然经受住了地震运动。1885年，米尔恩向英国科学促进会报告了他的实验。
1992年，美国国家标准与技术研究院（NIST）发表了两卷报告。该报告是关于建筑物和其他结构的隔震和被动能量消散系统的。这些从日文翻译而来的文献，提供了评估隔震和耗能系统的指南，以及建筑物和其他结构中能使用的系统目录。日本的原始报告由日本建筑中心在日本建设部（MOC）的赞助下发布。日本建筑中心将这些报告提供给NIST，以便将其翻译成英文并出版。
1992年NIST报告的第一卷对日本早期隔震研究进展的进行了全面回顾。该报告开始于Kozo Kawai在1891年12月在日本建筑学会的Kenchiku Zasshi期刊上发表的一篇论文，其标题为“地震中没有最大振动的结构。”该论文讨论了一个以放置在建筑物基础上的几个正交的圆柱形原木层为支撑的建筑物。NIST 在1992年的报告还讨论了1923年关东大地震后在日本提出的一些隔震的新观点，其中包括Okiie Yamashita 1924年提出的隔震系统。该系统由两个相对的凹面圆盘组成，这两个圆盘被一个圆球隔开，这个系统非常类似于Jules Touaillon在半个多世纪以前提出的隔震系统，也类似于今天的多凹球面滑动隔震系统。在20世纪20年代末期，Ryuichi Oka提出了一种系统，其中建筑物的基础柱支撑在一个允许在柱底部水平位移的半球形表面上，而球形接头处的摩擦能提供能量耗散的途径。这种早期的隔震系统在日本的几座建筑物中得到了应用，包括1934年Himeji分公司的钢筋混凝土建筑和Fudo Chokin银行的Shimonoseki分行的建筑。Fujita也报告了这两个隔震应用实例。
20世纪80年代初，东京大学正在进行有关隔震的系统研究; 在这段时间里，日本各种建筑公司对天然橡胶支座隔震系统进行了实验测试。
3 振动隔离 VIBRATION ISOLATION
在第二次世界大战期间和之后，机械和航空航天工业有了重大发展。到20世纪50年代后期，振动隔离是一个很好理解的主题，并被定义为由激励引起的系统响应。在振动隔离有关的文献中，通过使用弹性支撑来减小振动，并且在稳态状态期间，振动隔离是传递性的完善。因此，随着20世纪50年代后期振动隔离理论的完善，可以认为振动隔离（将设备放置弹性支撑元件顶部）与建筑隔震（将整个土木结构安置在弹性支座顶部）之间的唯一区别仅仅是规模和工程训练的问题。尽管如此，即使在二十年后的20世纪70年代，只有少数几座隔震建筑建成。部分原因是传统结构工程师不信任在建筑物基础层特意地引入柔性支座这一想法。
20世纪60年代，在A. G. Thomas博士，A. N. Gent博士和Peter Lindley博士的领导下，位于英国的马来西亚橡胶生产者研究协会(MRPRA——现在的 Tun Abdul Razac 研究中心)进行了关于建筑物隔震的橡胶支座力学性能的最初研究。他们首先将这种支座应用于桥梁支座，然后应用于隔震的英国住宅、医院和酒店。第一幢使用天然橡胶支座进行地面低频振动隔离的建筑是1966年建在伦敦地铁站上方的公寓楼。在英国，已使用天然橡胶隔离技术完成许多类似的项目。其中包括一个低成本的公共住宅区，该住宅毗邻两条允许24小时通行的8车道铁路线，也包括诸多酒店以及一些医院。这种振动隔离的方法同样适用于音乐厅。
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